JP2023042375A - 無線通信端末装置、認証及び鍵共有方法、プログラム、認証及び鍵共有システム - Google Patents

無線通信端末装置、認証及び鍵共有方法、プログラム、認証及び鍵共有システム Download PDF

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Abstract

【課題】無線端末とネットワークとの間での認証処理を、セキュリティを維持しつつより簡易に実行すること。【解決手段】無線通信端末装置１０は、制御部１１と、固有の鍵を格納する記憶部１２とを備え、制御部１１は、第１の乱数を生成し、その第１の乱数と、無線通信端末装置１０の識別情報とを含む認証要求を基地局に送信する認証要求部１１１と、認証要求を基地局から受信した認証サーバにより生成される第２の乱数と、第１の乱数及び第２の乱数の認証付き暗号文と、第２の乱数の認証付き暗号文と、認証付き暗号鍵とを取得した基地局から、第２の乱数と、前記認証付き暗号文とを含むレスポンス要求を受信し、第１の乱数、第２の乱数、及び固有の鍵に基づいて、認証付き暗号鍵を算出する認証付き暗号鍵生成部１１２と、算出した認証付き暗号鍵により生成した第２の乱数の認証付き暗号文を含むレスポンスを基地局に返信するレスポンス処理部１１３とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、無線通信端末装置、認証及び鍵共有方法、プログラム、認証及び鍵共有システムに関する。
高速移動体通信の基盤として、５Ｇネットワークが広く利用されるようになってきている。５Ｇネットワークのセキュリティにおいては、無線通信端末装置とネットワークとの間の相互接続認証に関して、端末装置が備えるＳＩＭカードに書き込まれている固有の秘密鍵（Ｋ）をネットワーク側の認証装置と共有しており、秘密鍵（Ｋ）から通信に用いる暗号鍵（ＣＫ）及び認証鍵（ＩＫ）を動的に生成するように構成されている。したがって、端末装置とネットワークとの接続認証にあたっては、秘密鍵（Ｋ）からの鍵生成処理、生成した暗号鍵（ＣＫ）と認証鍵（ＩＫ）とを用いた暗号化処理、認証処理のための３種類のアルゴリズムが使用されることになる。このような５Ｇネットワークのセキュリティ構成については、例えば非特許文献１に開示されている。
3GPP TS 33.102 V16.0.0(2020-07), Technical Specification, 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; 3G Security; Security architecture (Release 16)
現在、より高速かつ低遅延で、多接続性にも優れた第６世代移動通信システム（６Ｇ）の技術仕様が検討されている。６Ｇネットワークにおいては、高速性等の通信性能を向上させるために、セキュリティに関するデータ処理については可能な限りコンパクトにすることが求められている。この点、端末装置とネットワーク間での認証、鍵共有の方式についても、５Ｇネットワークの場合よりも簡素化する必要があるという課題があった。
本発明の目的の一つは、認証付き暗号をプリミティブとして用いることで、移動体通信ネットワークにおける無線通信端末装置とネットワークとの間での認証処理に関し、プロトコルをより効率化するとともに、所要のセキュリティレベルを維持しつつ、より簡易に実行することができる無線通信端末装置、認証及び鍵共有方法、プログラム、認証及び鍵共有システムを提供することである。
本発明の一つに係る無線通信端末装置は、制御部と、認証サーバと共有する固有の鍵を記憶する記憶部と、通信部とを備え、前記制御部は、第１の乱数を生成し、前記第１の乱数と、前記無線通信端末装置の識別情報と、を含む認証要求を、前記通信部を介して基地局に送信する認証要求部と、前記認証要求を前記基地局から受信した前記認証サーバにより生成される第２の乱数と、前記第１の乱数及び前記第２の乱数を認証付き暗号化した認証付き暗号文と、前記第２の乱数を認証付き暗号化した認証付き暗号文と、認証付き暗号鍵とを取得した前記基地局から、前記第２の乱数と、前記認証付き暗号文と、を含むレスポンス要求を受信し、前記第１の乱数、前記第２の乱数、及び前記固有の鍵に基づいて、認証付き暗号鍵を算出する認証付き暗号鍵生成部と、前記認証付き暗号鍵生成部により算出した認証付き暗号鍵により前記第２の乱数を認証付き暗号化し、当該認証付き暗号文を含むレスポンスを、前記通信部を介して前記基地局に返信するレスポンス処理部とを備える。
前記認証要求部は、前記第１の乱数と、前記無線通信端末装置の識別情報と、を前記無線通信端末装置の公開鍵により暗号化した認証要求を、前記通信部を介して基地局に送信するとしてもよい。
前記認証付き暗号鍵生成部は、２つの異なる鍵生成関数により、前記第１の乱数、前記第２の乱数、及び前記固有の鍵に基づいて、認証用の鍵と暗号化用の鍵とを生成するとしてもよい。
前記認証付き暗号鍵生成部は、１つの鍵生成関数により、前記第１の乱数、前記第２の乱数、及び前記固有の鍵に基づいて、認証付き暗号鍵を生成するとしてもよい。
前記認証付き暗号鍵生成部は、前記基地局から受信した前記レスポンス要求に含まれる前記第１の乱数及び前記第２の乱数を認証付き暗号化した認証付き暗号文に基づいて、算出した認証付き暗号鍵の正当性を判定するとしてもよい。
本発明の他の一つは、制御部と、認証サーバと共有する固有の鍵を記憶する記憶部と、通信部とを備える無線通信端末装置により、第１の乱数を生成し、前記第１の乱数と、前記無線通信端末装置の識別情報と、を含む認証要求を、前記通信部を介して基地局に送信する認証要求ステップと、前記認証要求を前記基地局から受信した前記認証サーバにより生成される第２の乱数と、前記第１の乱数及び前記第２の乱数を認証付き暗号化した認証付き暗号文と、前記第２の乱数を認証付き暗号化した認証付き暗号文と、認証付き暗号鍵と、を取得した前記基地局から、前記第２の乱数と、前記認証付き暗号文と、を含むレスポンス要求を受信し、前記第１の乱数、前記第２の乱数、及び前記固有の鍵に基づいて、認証付き暗号鍵を算出する認証付き暗号鍵生成ステップと、前記認証付き暗号鍵生成ステップにおいて算出された認証付き暗号鍵により前記第２の乱数を認証付き暗号化し、当該認証付き暗号文を含むレスポンスを、前記通信部を介して前記基地局に返信するレスポンス処理ステップとを実行する認証及び鍵共有方法である。
本発明のさらに他の一つは、前記の無線通信端末装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。
本発明のさらに他の一つは、無線通信端末装置と、基地局と、認証サーバとを含む認証、鍵共有システムであって、前記無線通信端末装置は、制御部と、認証サーバと共有する固有の鍵を記憶する記憶部と、通信部とを備え、前記制御部は、第１の乱数を生成し、前記第１の乱数と、前記無線通信端末装置の識別情報と、を含む認証要求を、前記通信部を介して基地局に送信する認証要求部と、前記認証要求を前記基地局から受信した前記認証サーバにより生成される第２の乱数と、前記第１の乱数及び前記第２の乱数を認証付き暗号化した認証付き暗号文と、前記第２の乱数を認証付き暗号化した認証付き暗号文と、認証付き暗号鍵と、を取得した前記基地局から、前記第２の乱数と、前記認証付き暗号文と、を含むレスポンス要求を受信し、前記第１の乱数、前記第２の乱数、及び前記固有の鍵に基づいて、認証付き暗号鍵を算出する認証付き暗号鍵生成部と、前記認証付き暗号鍵生成部により算出した認証付き暗号鍵により前記第２の乱数を認証付き暗号化し、当該認証付き暗号文を含むレスポンスを、前記通信部を介して前記基地局に返信するレスポンス処理部とを備え、前記基地局は、制御部と、通信部とを備え、前記制御部は、前記無線通信端末装置から、前記第１の乱数と、前記無線通信端末装置の識別情報と、を含む認証要求を、前記通信部を介して受信し、受信した前記認証要求を前記認証サーバに送信する認証要求転送部と、前記認証サーバから、前記認証サーバにより生成される前記第２の乱数と、前記第１の乱数及び前記第２の乱数を認証付き暗号化した認証付き暗号文と、前記第２の乱数を認証付き暗号化した認証付き暗号文と、認証付き暗号鍵とを含む認証ベクトルを、前記通信部を介して受信する認証ベクトル受信部と、前記認証ベクトルに含まれる前記第２の乱数と、前記認証付き暗号文と、を含むレスポンス要求を、前記通信部を介して前記無線通信端末装置に送信するレスポンス要求送信部とを備え、前記認証サーバは、制御部と、通信部とを備え、前記制御部は、前記基地局から、前記第１の乱数と、前記無線通信端末装置の識別情報と、を含む認証要求を、前記通信部を介して受信する認証要求受信部と、前記第２の乱数を生成し、前記第１の乱数、前記第２の乱数、及び前記固有の鍵に基づいて、認証付き暗号鍵を算出し、前記第１の乱数及び前記第２の乱数を認証付き暗号化した認証付き暗号文を算出し、前記第２の乱数を認証付き暗号化した認証付き暗号文を算出することで、前記認証ベクトルを生成し、前記基地局に前記通信部を介して送信する認証ベクトル作成部とを備える認証及び鍵共有システムである。
前記認証及び鍵共有システムにおいて、前記認証要求部は、前記第１の乱数と、前記無線通信端末装置の識別情報と、を前記無線通信端末装置の公開鍵により暗号化した認証要求を、前記通信部を介して基地局に送信し、前記認証要求転送部は、前記認証要求を、前記認証サーバに送信し、前記認証要求受信部は、前記認証要求を、前記通信部を介して受信し、秘密鍵により復号化することで、前記第１の乱数と、前記無線通信端末装置の識別情報とを取得するとしてもよい。
本発明によれば、認証付き暗号をプリミティブとして用いることで、移動体通信ネットワークにおける無線通信端末装置とネットワークとの間での認証処理に関し、プロトコルをより効率化するとともに、所要のセキュリティレベルを維持しつつより簡易に実行することが可能となる。
本発明の一実施形態における認証及び鍵共有システムを有する移動体通信ネットワークの構成例を示す図である。 一実施形態における無線通信端末装置の構成例を示すブロック図である。 一実施形態における基地局の構成例を示すブロック図である。 一実施形態における認証サーバの構成例を示すブロック図である。 一実施形態における認証及び鍵共有システムに実装される鍵生成処理の流れを例示する図である。 本発明の一実施形態における認証及び鍵共有システムにより実行されるデータ処理の流れを例示するシーケンス図である。 本発明の一実施形態の変形例における認証及び鍵共有システムにより実行されるデータ処理の流れを例示するシーケンス図である。
以下、本発明について、その実施形態に即して添付図面を参照しながら説明する。
本発明の一実施形態に係る認証及び鍵共有システムが適用される移動体通信システム１の全体構成例を、図１に模式的に示している。図１の移動体通信システム１においては、ネットワーク４０に無線通信端末装置１０（以下特に必要がなければ「端末装置１０」と略称する。）と、基地局２０と、認証サーバ３０とが通信可能に接続されている。ネットワーク４０は、無線及び有線の通信ネットワークを含む移動体通信用のネットワークである。端末装置１０はスマートフォン、タブレット端末等の無線通信端末装置であって、基地局２０との無線通信を介して他の端末装置１０との間での通信を行うことができる。基地局２０は端末装置１０同士の通信を仲介するとともに、端末装置１０と通信を行うにあたっての端末装置１０の認証処理を、認証サーバ３０との情報授受を通じて実行する。認証サーバ３０は、基地局２０から受け取る端末装置１０の識別情報等の共有情報に基づいて端末装置１０の認証処理に必要な各種の鍵生成処理等を実行する。移動体通信システム１に適用されている本実施形態に係る認証及び鍵共有システムでは、上記の端末装置と基地局間での認証処理に用いられる暗号化プリミティブとして認証付き暗号化処理を用いており、それに必要とされる鍵生成処理、暗号化処理、及び認証処理を実行する際に用いるアルゴリズムを統一化し、認証処理に伴うデータ処理の軽減、ハードウェア資源の削減を図っている。特に限定されるものではないが、本実施形態における認証及び鍵共有システムは、第６世代移動通信システム、いわゆる６Ｇに好適に適用される。
次に、無線通信端末装置１０、基地局２０、及び認証サーバ３０それぞれについて説明する。図２に、本実施形態における無線通信端末装置１０の機能構成例を示している。
端末装置１０は、スマートフォン、タブレット端末等の、通信機能を備えた情報処理装置（コンピュータ）であり、制御部１１、記憶部１２、及び通信部１３の他、各種データの入出力デバイスなどを備える。
制御部１１は、端末装置１０の全体を制御する部分であり、記憶部２０に記憶された各種プログラムを適宜読み出して実行することにより、本実施形態における端末装置１０の各機能を実現する。制御部１０は、ＣＰＵ等のプロセッサであってよい。
記憶部１２は、ハードウェア群を端末装置１０として機能させるための各種プログラム、及び各種データなどの記憶領域であり、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ、又は半導体（ＳＳＤ）などであってよい。具体的には、記憶部２０は、本実施形態の各機能を制御部１０に実行させるためのプログラム、各種パラメータ、後述する基地局２０等から入力されるデータ、後述する各機能部が生成する各種鍵等のデータなどを記憶する。記憶部２０には、端末装置１０に固有の識別情報が格納された記憶媒体、例えば移動体通信における加入者の識別情報が格納されているＳＩＭカードが含まれる。なおＳＩＭカードに格納されるデータをｅＳＩＭ規格により記憶部１２に格納してもよい。記憶部１２の一部であるＳＩＭカード又はｅＳＩＭ規格を通じて格納されたデータには、後述する認証付き暗号鍵を生成するための鍵生成関数の入力データとなるマスターシークレットデータ（固有の鍵）が含まれている。
また、記憶部１２には、前記の認証付き暗号鍵を生成するための鍵生成関数も格納されている。マスターシークレットデータ及び鍵生成関数は、後述するように端末装置１０と基地局２０との間での認証処理に用いられる認証付き暗号文を生成するために使用される。
図５に、所定の鍵生成関数（Ｋｅｙ Ｄｅｒｉｖａｔｉｏｎ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ＫＤＦ）を用いて認証付き暗号化処理のための認証鍵（Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ Ｋｅｙ，ＡＫ）及び暗号鍵（Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ Ｋｅｙ，ＥＫ）を生成するプロセスを模式的に示している。
この鍵生成関数は、少なくとも一つの秘密パラメータを含む複数のパラメータを入力として受け取り、出力として所定のアルゴリズムやアプリケーションに適した鍵を与える関数である（例えば、ＩＳＯ／ＩＥＣ１１７７０－６：２０１６を参照）。本実施形態では、暗号プリミティブとして用いる認証付き暗号化処理用の認証鍵（ＡＫ）及び暗号鍵（ＥＫ）を、Ｒｏｃｃａと称する鍵生成関数を用いて生成するように構成している。Ｒｏｃｃａについては、例えばKosei Sakamoto, Fukang Liu, Yuto Nakano, Shinsaku Kiyomoto, Takanori Isobe, “Rocca: An Efficient AES-based Encryption Scheme for Beyond 5G”, Transactions on Symmetric Cryptology ISSN 2519-173X, Vol. 2021, No. 2, pp. 1-30に記載されている。
具体的には、図５に示しているように、鍵生成関数ＫＤＦとして、端末装置１０と認証サーバ３０とが端末装置１０の識別情報を介して共有している固有の鍵であるマスターシークレットデータを入力とし、端末装置１０が生成する乱数Ｒ１及び認証サーバ３０が生成する乱数Ｒ２の異なる組み合わせ（図５の例では乱数Ｒ１の後に乱数Ｒ２を連結して作成したパラメータと乱数Ｒ２の後に乱数Ｒ１を連結して作成したパラメータ）を鍵として鍵生成関数による演算を行い、互いに異なる２つの出力をそれぞれ認証付き暗号化処理用の認証鍵（ＡＫ）及び暗号鍵（ＥＫ）として用いるものである。得られた認証鍵（ＡＫ）及び暗号鍵（ＥＫ）を用いて、端末装置１０と基地局２０との間でのセキュアな通信を可能とする暗号プリミティブとして、認証付き暗号文を用いることができる。
認証付き暗号化の手法としては、Ｅｎｃｒｙｐｔ－ｔｈｅｎ－ＭＡＣ（ＥｔＭ）、Ｅｎｃｒｙｐｔ－ａｎｄ－ＭＡＣ（Ｅ＆Ｍ）、ＭＡＣ－ｔｈｅｎ－Ｅｎｃｒｙｐｔ（ＭｔＥ）のいずれを用いてもよい。
本実施形態では、認証鍵（ＡＫ）及び暗号鍵（ＥＫ）の２つの異なる鍵を生成しているが、鍵生成関数の鍵として用いるパラメータを一種類のみとし、認証付き暗号化処理を一つの鍵で実行するようにしてもよい。
また、本実施形態では鍵生成関数が利用する鍵について、２つの乱数Ｒ１，Ｒ２の連結順を逆にすることで２つの異なる鍵を生成したが、乱数の連結順を変えずに、他の互いに異なる数値を適宜の位置に付加する（例えば、乱数Ｒ１に乱数Ｒ２を連結し、その先頭に異なる数字（例えば０又は１）を付加して用いてもよい。
通信部１３は、例えば高周波を処理する各種受動デバイスと、信号の増幅、処理等を行うプロセッサとを含む集積回路部品として構成されたデジタル無線通信用の通信モジュールであり、基地局２０との間での無線通信のためのデータ処理を行っている。
制御部１１は、認証要求部１１１、認証付き暗号鍵生成部１１２、及びレスポンス処理部１１３を備える。
認証要求部１１１は、第１の乱数Ｒ１を生成し、自身の識別情報とともに認証要求として基地局２０に送信する。認証付き暗号鍵生成部１１２は、基地局２０から、認証サーバ３０が生成した第２の乱数Ｒ２と、第１の乱数Ｒ１及び第２の乱数Ｒ２を認証付き暗号化した認証付き暗号文とを含むレスポンス要求を受信し、第１の乱数Ｒ１、第２の乱数Ｒ２、及び自身が保持するマスターシークレットデータに基づいて、認証付き暗号鍵を算出する。レスポンス処理部１１３は、認証付き暗号鍵生成部１１２により算出した認証付き暗号鍵により第２の乱数Ｒ２を認証付き暗号化し、その認証付き暗号文を含むレスポンスを基地局２０に返信する。
次に、本実施形態における基地局２０について説明する。図３に、本実施形態における基地局２０の機能構成例を示している。
基地局２０は、通信機能を備えたサーバ、又はパーソナルコンピュータ等の情報処理装置（コンピュータ）であり、制御部２１、記憶部２２、及び通信部２３の他、各種データの入出力デバイスなどを備える。
制御部２１は、基地局２０の全体を制御する部分であり、記憶部２２に記憶された各種プログラムを適宜読み出して実行することにより、本実施形態における基地局２０の各機能を実現する。制御部２１は、ＣＰＵ等のプロセッサであってよい。
記憶部２２は、ハードウェア群を基地局２０として機能させるための各種プログラム、及び各種データなどの記憶領域であり、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ、半導体ドライブ（ＳＳＤ）又はハードディスク（ＨＤＤ）などであってよい。具体的には、記憶部２２は、本実施形態の各機能を制御部２１に実行させるためのプログラム、各種パラメータ、端末装置１０及び後述する認証サーバ３０等から入力されるデータ、後述する各機能部が生成する各種データなどを記憶する。
通信部２３は、例えば高周波を処理する各種受動デバイスと、信号の増幅、処理等を行うプロセッサとを含む集積回路部品として構成されたデジタル無線通信用の通信モジュールであり、制御部２１とネットワーク４０との間での無線又は有線通信のためのデータ処理を行っている。
制御部２１は、認証要求転送部２１１、認証ベクトル受信部２１２、及びレスポンス要求送信部２１３を備える。
認証要求転送部２１１は、端末装置１０から、第１の乱数Ｒ１と、端末装置１０の識別情報とを含む認証要求を受信し、認証サーバ３０に送信する。認証ベクトル受信部２１２は、認証サーバ３０から、認証サーバ３０が生成した第２の乱数Ｒ２と、第１の乱数Ｒ１及び第２の乱数Ｒ２を認証付き暗号化した認証付き暗号文と、第２の乱数Ｒ２を認証付き暗号化した認証付き暗号文と、認証付き暗号鍵とを含む認証ベクトルを受信する。レスポンス要求送信部２１３は、第２の乱数Ｒ２と、第１の乱数Ｒ１及び第２の乱数Ｒ２を認証付き暗号化した認証付き暗号文とを含むレスポンス要求を、端末装置１０に送信する。
次に、本実施形態における認証サーバ３０について説明する。図４に、本実施形態における認証サーバ３０の機能構成例を示している。
認証サーバ３０は、通信機能を備えたサーバ、又はパーソナルコンピュータ等の情報処理装置（コンピュータ）であり、制御部３１、記憶部３２、及び通信部３３の他、各種データの入出力デバイスなどを備える。
制御部３１は、認証サーバ３０の全体を制御する部分であり、記憶部３２に記憶された各種プログラムを適宜読み出して実行することにより、本実施形態における認証サーバ３０の各機能を実現する。制御部３１は、ＣＰＵ等のプロセッサであってよい。
記憶部３２は、ハードウェア群を認証サーバ３０として機能させるための各種プログラム、及び各種データなどの記憶領域であり、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ、半導体ドライブ（ＳＳＤ）又はハードディスク（ＨＤＤ）などであってよい。具体的には、記憶部３２は、本実施形態の各機能を制御部３１に実行させるためのプログラム、各種パラメータ、基地局２０等から入力されるデータ、後述する各機能部が生成する各種データなどを記憶する。記憶部３２には、また、認証付き暗号鍵を生成するための鍵生成関数の入力データとなるマスターシークレットデータが、端末装置１０の固有の識別情報と関連付けて格納されて、各端末装置１０と共有されている。
通信部３３は、例えば高周波を処理する各種受動デバイスと、信号の増幅、処理等を行うプロセッサとを含む集積回路部品として構成されたデジタル無線通信用の通信モジュールであり、制御部３１とネットワーク４０との間での無線又は有線通信のためのデータ処理を行っている。
制御部３１は、認証要求受信部３１１、及び認証ベクトル作成部３１２を備える。
認証要求受信部３１１は、基地局２０から、端末装置１０の認証要求を受信する。認証ベクトル作成部３１２は、第２の乱数Ｒ２を生成し、第１の乱数Ｒ１、第２の乱数Ｒ２、及び端末装置１０の認証要求から受け取る識別情報に対応付けられたマスターシークレットデータに基づいて、認証付き暗号鍵を算出し、それを用いて第１の乱数Ｒ１及び第２の乱数Ｒ２を認証付き暗号化した認証付き暗号文と、第２の乱数Ｒ２を認証付き暗号化した認証付き暗号文を算出して認証ベクトルを生成し、基地局２０に送信する。
次に、以上説明した本実施形態における認証及び鍵共有システムにおける、端末装置１０と基地局２０との間での認証処理のプロセスについて説明する。図６は、本実施形態の認証及び鍵共有システムでの認証及び鍵共有処理について、移動体通信システム上にある端末装置１０、基地局２０、及び認証サーバ３０の間におけるデータ処理を示すシーケンス図である。以下の説明では、端末装置１０、基地局２０、及び認証サーバ３０の間で送受信される各種データについて、図６と同じ符号を付している。
端末装置１０が基地局２０との無線通信を開始すると、ステップＳ１で、端末装置１０の認証要求部１１１は、第１の乱数(R1)を生成するとともに、自身の識別情報(ID_A)を記憶部１２から読み出し、第１の乱数(R1)と識別情報(ID_A)とを含む認証要求を生成する。
ステップＳ２において、認証要求部１１１は、生成した認証要求(ID_A,R1)を、通信部１３を介して基地局２０に送信する。
ステップＳ３において、基地局２０の認証要求転送部２１１は、端末装置１０から受信した認証要求(ID_A,R1)を、通信部２３を介して受信する。
ステップＳ４において、基地局２０の認証要求転送部２１１は、受信した認証要求(ID_A,R1)を認証サーバ３０に送信する。
ステップＳ５において、認証サーバ３０の認証要求受信部３１１は、基地局２０から、第１の乱数(R1)と、端末装置１０の識別情報(ID_A)とを含む認証要求(ID_A,R1)を、通信部３３を介して受信する。そして、認証サーバ３０の認証ベクトル作成部３１２は、第２の乱数(R2)を生成し、第１の乱数(R1)、第２の乱数(R2)、及び識別情報(ID_A)に対応付けられているマスターシークレットデータに基づいて、認証付き暗号鍵(AK,EK)を算出する。そして認証ベクトル作成部３１２は、生成した認証付き暗号鍵(AK,EK)を用いて、第１の乱数(R1)及び第２の乱数(R2)を認証付き暗号化した認証付き暗号文(AE(R1,R2))と、第２の乱数(R2)を認証付き暗号化した認証付き暗号文(AE(R2))を算出することで、第２の乱数(R2)、認証付き暗号文(AE(R1,R2))、(AE(R2)、及び認証付き暗号鍵(AK,EK)を含む認証ベクトル(R2,AE(R1,R2),AE(R2),AK,EK)を生成する。
ステップＳ６において、認証サーバ３０の認証ベクトル作成部３１２は、生成した認証ベクトル(R2,AE(R1,R2),AE(R2),AK,EK)を、通信部３３を介して基地局２０に送信する。
ステップＳ７において、基地局２０の認証ベクトル受信部２１２は、認証サーバ３０が送信した認証ベクトルを、通信部２３を介して受信する。
ステップＳ８において、基地局２０のレスポンス要求送信部２１３は、受信した認証ベクトル(R2, AE(R1,R2), AE(R2), AK, EK)に含まれる第２の乱数(R2)と、認証付き暗号文(AE(R1,R2))とを含むレスポンス要求(R2, AE(R1,R2))を、通信部２３を介して端末装置１０に送信する。
ステップＳ９において、端末装置１０の認証付き暗号鍵生成部１１２は、基地局２０から受信した第２の乱数(R2)と、認証付き暗号文(AE(R1,R2))とを含むレスポンス要求(R2, AE(R1,R2))を受信し、自身が生成して保持していた第１の乱数(R1)、受信した第２の乱数(R2)、及び自身が格納しているマスターシークレットデータを用いて、認証付き暗号鍵(AK,EK)を算出する。そして、端末装置１０のレスポンス処理部１１３は、認証付き暗号鍵生成部１１２により算出した認証付き暗号鍵(AK,EK)により第２の乱数(R2)を認証付き暗号化し、当該認証付き暗号文(AE(R2))を含むレスポンス(AE(R2))を生成する。
ステップＳ１０において、端末装置１０のレスポンス処理部１１３は、生成した認証付き暗号文(AE(R2))を、通信部１３を介して基地局２０に送信する。
ステップＳ１１において、基地局２０は端末装置１０から受信した認証付き暗号文(AE(R2))と、すでにステップＳ７で認証サーバ３０から受信して保持していた認証付き暗号文(AE(R2))とを比較し、両者が一致した場合に端末装置１０が認証されたと判定して以後当該端末装置１０との無線通信を継続する。
以上のように、本実施形態における認証及び鍵共有システムによれば、認証付き暗号をプリミティブとして用いることで、端末装置１０及び基地局２０間では、認証、暗号化、及び鍵生成(鍵共有)を１段階で実施することが可能となり、安全性を向上させるとともにプロトコルをより効率化することができる。また、プロトコルを実行するチップの実装面積の縮小、プロトコルを実行するアプリケーションの簡素化を図ることができる。また認証付き暗号を暗号プリミティブとして使うことで、認証及び鍵共有プロセスにおいて、暗号化とメッセージ認証を同時に実現することができる。
次に、本実施形態における認証及び鍵共有システムの変形例について説明する。図７に、変形例に係る図６に対応するシーケンス図を示している。図７において、図６の処理ステップと対応する処理ステップには、同一の符号を付している。
変形例における認証及び鍵共有プロセスでは、端末装置１０と基地局２０とが無線通信を開始するにあたって、端末装置１０から送信されるメッセージが暗号化されている点が異なっている。端末装置１０が基地局２０へ送信するメッセージは公開鍵暗号方式で暗号化されており、復号用の秘密鍵をあらかじめ保持している認証サーバ３０が復号することができる。
図７を参照すると、ステップＳ１Ａで、端末装置１０の認証要求部１１１は、第１の乱数(R1)と識別情報(ID_A)とを含む認証要求(ID_A,R1)を生成し、これを公開鍵で暗号化した暗号文(Pub(ID_A,R1))を生成する。この暗号文(Pub(ID_A,R1))は、ステップＳ２Ａ～ステップＳ５Ａの処理ステップにより認証サーバ３０で受信される。認証サーバ３０では、認証要求受信部３１１が受信した暗号文(Pub(ID_A,R1))を、保持している秘密鍵で復号する。その後、図６のシーケンス図と同じ処理が行われる。
このような変形例によれば、前記した本実施形態における認証及び鍵共有システムが奏する効果に加えて、端末装置１０から送信される識別情報(ID_A)を含むメッセージが暗号化されているので、盗聴により識別情報(ID_A)が第三者に知られる恐れがなくなりセキュリティレベルがより向上する。
前記認証付き暗号鍵生成部１１２は、２つの異なる鍵生成関数により、前記第１の乱数Ｒ１、前記第２の乱数Ｒ２、及び前記固有の鍵に基づいて、認証用の鍵と暗号化用の鍵とを生成するとしてもよい。
このようにすれば、認証用と暗号化用とで異なる鍵を使用するので、通信の安全性をより高めることができる。
前記認証付き暗号鍵生成部１１２は、１つの鍵生成関数により、前記第１の乱数Ｒ１、前記第２の乱数Ｒ２、及び前記固有の鍵に基づいて、認証付き暗号鍵を生成するとしてもよい。
このようにすれば、認証付き暗号鍵の生成処理に要する負荷を軽減することができる。
前記認証付き暗号鍵生成部１１２は、前記基地局２０から受信した前記レスポンス要求に含まれる前記第１の乱数Ｒ１及び前記第２の乱数Ｒ２を認証付き暗号化した認証付き暗号文に基づいて、算出した認証付き暗号鍵の正当性を判定するとしてもよい。
このようにすれば、認証付き暗号鍵の正当性が保証されるため、端末装置１０と基地局２０間の通信の安全性が向上する。
なお、前述の実施形態により、認証付き暗号をプリミティブとして用いることで、例えば、ネットワークを介した通信の安全性を向上させるとともにプロトコルをより効率化することができる。また、プロトコルを実行するチップの実装面積の縮小、プロトコルを実行するアプリケーションの簡素化を図ることができるので、国連が主導する持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標９「レジリエントなインフラを整備し、持続可能な産業化を推進するとともに、イノベーションの拡大を図る」に貢献することが可能となる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に限るものではない。また、前述した実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、実施形態に記載されたものに限定されるものではない。
本実施形態における認証及び鍵共有方法は、ソフトウェアにより実現される。ソフトウェアによって実現される場合には、このソフトウェアを構成するプログラムが、情報処理装置（コンピュータ）にインストールされる。また、これらのプログラムは、ＣＤ－ＲＯＭのようなリムーバブルメディアに記録されてユーザに配布されてもよいし、ネットワークを介してユーザのコンピュータにダウンロードされることにより配布されてもよい。さらに、これらのプログラムは、ダウンロードされることなくネットワークを介したＷｅｂサービスとしてユーザのコンピュータに提供されてもよい。
１０ 無線通信端末装置
１１ 制御部
１１１ 認証要求部
１１２ 認証付き暗号鍵生成部
１１３ レスポンス処理部
１２ 記憶部
１３ 通信部
２０ 基地局
２１ 制御部
２１１ 認証要求転送部
２１２ 認証ベクトル受信部
２１３ レスポンス要求送信部
２２ 記憶部
２３ 通信部
３０ 認証サーバ
３１ 制御部
３１１ 認証要求受信部
３１２ 認証ベクトル作成部
３２ 記憶部
３３ 通信部
４０ ネットワーク

Claims (9)

  1. 制御部と、
    認証サーバと共有する固有の鍵を記憶する記憶部と、
    通信部と、を備える無線通信端末装置であって、
    前記制御部は、
    第１の乱数を生成し、前記第１の乱数と、前記無線通信端末装置の識別情報と、を含む認証要求を、前記通信部を介して基地局に送信する認証要求部と、
    前記認証要求を前記基地局から受信した前記認証サーバにより生成される第２の乱数と、前記第１の乱数及び前記第２の乱数を認証付き暗号化した認証付き暗号文と、前記第２の乱数を認証付き暗号化した認証付き暗号文と、認証付き暗号鍵と、を取得した前記基地局から、前記第２の乱数と、前記認証付き暗号文と、を含むレスポンス要求を受信し、前記第１の乱数、前記第２の乱数、及び前記固有の鍵に基づいて、認証付き暗号鍵を算出する認証付き暗号鍵生成部と、
    前記認証付き暗号鍵生成部により算出した認証付き暗号鍵により前記第２の乱数を認証付き暗号化し、当該認証付き暗号文を含むレスポンスを、前記通信部を介して前記基地局に返信するレスポンス処理部と、を備える、無線通信端末装置。
  2. 前記認証要求部は、前記第１の乱数と、前記無線通信端末装置の識別情報と、を前記無線通信端末装置の公開鍵により暗号化した認証要求を、前記通信部を介して基地局に送信する、請求項１に記載の無線通信端末装置。
  3. 前記認証付き暗号鍵生成部は、２つの異なる鍵生成関数により、前記第１の乱数、前記第２の乱数、及び前記固有の鍵に基づいて、認証用の鍵と暗号化用の鍵とを生成する、請求項１又は請求項２に記載の無線通信端末装置。
  4. 前記認証付き暗号鍵生成部は、１つの鍵生成関数により、前記第１の乱数、前記第２の乱数、及び前記固有の鍵に基づいて、認証付き暗号鍵を生成する、請求項１又は請求項２に記載の無線通信端末装置。
  5. 前記認証付き暗号鍵生成部は、前記基地局から受信した前記レスポンス要求に含まれる前記第１の乱数及び前記第２の乱数を認証付き暗号化した認証付き暗号文に基づいて、算出した認証付き暗号鍵の正当性を判定する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の無線通信端末装置。
  6. 制御部と、
    認証サーバと共有する固有の鍵を記憶する記憶部と、
    通信部と、を備える無線通信端末装置により、
    第１の乱数を生成し、前記第１の乱数と、前記無線通信端末装置の識別情報と、を含む認証要求を、前記通信部を介して基地局に送信する認証要求ステップと、
    前記認証要求を前記基地局から受信した前記認証サーバにより生成される第２の乱数と、前記第１の乱数及び前記第２の乱数を認証付き暗号化した認証付き暗号文と、前記第２の乱数を認証付き暗号化した認証付き暗号文と、認証付き暗号鍵と、を取得した前記基地局から、前記第２の乱数と、前記認証付き暗号文と、を含むレスポンス要求を受信し、前記第１の乱数、前記第２の乱数、及び前記固有の鍵に基づいて、認証付き暗号鍵を算出する認証付き暗号鍵生成ステップと、
    前記認証付き暗号鍵生成ステップにおいて算出された認証付き暗号鍵により前記第２の乱数を認証付き暗号化し、当該認証付き暗号文を含むレスポンスを、前記通信部を介して前記基地局に返信するレスポンス処理ステップと、を実行する認証及び鍵共有方法。
  7. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の無線通信端末装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
  8. 無線通信端末装置と、基地局と、認証サーバと、を含む認証、鍵共有システムであって、
    前記無線通信端末装置は、
    制御部と、
    認証サーバと共有する固有の鍵を記憶する記憶部と、
    通信部と、を備え、
    前記制御部は、
    第１の乱数を生成し、前記第１の乱数と、前記無線通信端末装置の識別情報と、を含む認証要求を、前記通信部を介して基地局に送信する認証要求部と、
    前記認証要求を前記基地局から受信した前記認証サーバにより生成される第２の乱数と、前記第１の乱数及び前記第２の乱数を認証付き暗号化した認証付き暗号文と、前記第２の乱数を認証付き暗号化した認証付き暗号文と、認証付き暗号鍵と、を取得した前記基地局から、前記第２の乱数と、前記認証付き暗号文と、を含むレスポンス要求を受信し、前記第１の乱数、前記第２の乱数、及び前記固有の鍵に基づいて、認証付き暗号鍵を算出する認証付き暗号鍵生成部と、
    前記認証付き暗号鍵生成部により算出した認証付き暗号鍵により前記第２の乱数を認証付き暗号化し、当該認証付き暗号文を含むレスポンスを、前記通信部を介して前記基地局に返信するレスポンス処理部と、を備え、
    前記基地局は、
    制御部と、通信部と、を備え、
    前記制御部は、
    前記無線通信端末装置から、前記第１の乱数と、前記無線通信端末装置の識別情報と、を含む認証要求を、前記通信部を介して受信し、受信した前記認証要求を前記認証サーバに送信する認証要求転送部と、
    前記認証サーバから、前記認証サーバにより生成される前記第２の乱数と、前記第１の乱数及び前記第２の乱数を認証付き暗号化した認証付き暗号文と、前記第２の乱数を認証付き暗号化した認証付き暗号文と、認証付き暗号鍵と、を含む認証ベクトルを、前記通信部を介して受信する認証ベクトル受信部と、
    前記認証ベクトルに含まれる前記第２の乱数と、前記認証付き暗号文と、を含むレスポンス要求を、前記通信部を介して前記無線通信端末装置に送信するレスポンス要求送信部と、を備え、
    前記認証サーバは、
    制御部と、通信部と、を備え、
    前記制御部は、
    前記基地局から、前記第１の乱数と、前記無線通信端末装置の識別情報と、を含む認証要求を、前記通信部を介して受信する認証要求受信部と、
    前記第２の乱数を生成し、前記第１の乱数、前記第２の乱数、及び前記固有の鍵に基づいて、認証付き暗号鍵を算出し、前記第１の乱数及び前記第２の乱数を認証付き暗号化した認証付き暗号文を算出し、前記第２の乱数を認証付き暗号化した認証付き暗号文を算出することで、前記認証ベクトルを生成し、前記基地局に前記通信部を介して送信する認証ベクトル作成部と、を備える
    認証及び鍵共有システム。
  9. 前記認証要求部は、前記第１の乱数と、前記無線通信端末装置の識別情報と、を前記無線通信端末装置の公開鍵により暗号化した認証要求を、前記通信部を介して基地局に送信し、
    前記認証要求転送部は、前記認証要求を、前記認証サーバに送信し、
    前記認証要求受信部は、前記認証要求を、前記通信部を介して受信し、秘密鍵により復号化することで、前記第１の乱数と、前記無線通信端末装置の識別情報と、を取得する、
    請求項８に記載の認証及び鍵共有システム。
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